燃料電池及其發(fā)展前景

作者: Raymond George Klaus Hassmann
【摘要】燃料電池具有非同尋常的性能： 電效率可達60％以上，而且可以在帶著部分負荷運行的情況下進行維修，除了有低比率碳氧化物排放外幾乎沒有任何有害的排放物。文章介紹按溫度劃分的4種主要燃料電池(PEMFC、PAFC、MCFC和SOFC)的性能，重點介紹高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)的應用及其發(fā)展前景。 With demonstration projects fuel cells are Well uder way toward penetrating the power market,covering a wide range of application．This paper introduces the main four types of fuel cells which are PEMFC,PAFC，MCFC and SOFC．Then it puts the emphasis on SOFC and its application market．
燃料電池是通過由電解液分隔開的2個電極中間的燃料(如天然氣、甲醇或純凈氫氣)的化學反應直接產生出電能。與汽輪發(fā)電機生產的電能相比，燃料電池具有非同尋常的特性：它的電效率可達60％以上，可以在帶部分負荷運行的情況下進行維修，而且除了排放低比率碳氧化物外，幾乎沒有任何其他的有害排放物。
1 燃料電池的分類
    目前研制的燃料電池技術在運行溫度上有不同的類型，從比室溫略高直到高達1000℃的范
圍。大多數(shù)工業(yè)集團公司的注意力集中在以下4種主要類型上：
(1)運行溫度在60-80℃之間的聚合物電解液隔膜型燃料電池(PEMFC)；
(2)運行溫度在160-220℃之間的磷酸類燃料電池(PAFC)；
(3)運行溫度在620-660℃之間的熔融碳酸鹽類燃料電池(MCFC)；
(4)運行溫度在880-1000℃之間的固體氧化物燃料電池(SOFC)。
    可以將這些類型的燃料電池劃分為低溫型(100℃及以下)、中溫型(約200℃左右)及高溫型
(600-l000℃)燃料電池。
    表1簡要地列出了各種類型燃料電池的性能。中溫型和高溫型燃料電池適于用在靜止式裝置上，而低溫型燃料電池對于靜止裝置和移動式裝置都適用。
    實用裝置的功率容量差別也很大，可以給筆記本電腦及移動電話供電(數(shù)以W計)，也可以給居民住宅(數(shù)kW)或是分散的電熱設備和動力設備(數(shù)百KW到數(shù)MW)供電。
    最適于用來驅動汽車的是低溫型燃料電池。
    根據使用期限成本進行的經濟性比較結果表明，就發(fā)電成本而言，SOFC型燃料電池要PEM型低30％。這個結果是根據SOFC型燃料電池的電效率比PEM型的高，這2種燃料電池最終都可以達到l000美元／KW的投資成本這一假設條件而推導出來的。 
2 高溫燃科電池 
    高溫型燃料電池具有許多適于在靜止式裝置上使用的特性。但是在高溫型燃料電池產生出電能之前需要較長的加熱過程，因而這種技術不能應用于要求在短時間內頻繁起動的各種實用裝置。此外，高溫型燃料電池還具有以下特點：
    (1)不需要使用貴金屬來催化電化學反應。一般情況下使用陶瓷材料。
    (2)對CO完全沒有限制。CO參加到電化學反應過程并像H₂一樣被氧化。
    (3)對燃料表現(xiàn)出高度靈活性�？梢越o這類燃料電池發(fā)電設備供應天然氣，天然氣在設備內部被轉換成H₂和CO。這意味著無需任何外部燃料，從而大大簡化了發(fā)電設備的平衡問題。
    (4)高溫可以將燃氣輪機連接到該系統(tǒng)上，在這種情況下，燃料電池發(fā)電設備是在300kPa壓力下運行，并在不考慮燃氣輪機輸出的情況下將燃料電池的功率密度提高約20％，因此使總的電效率提高10％，可成倍地降低使用期限成本。
    (5)較高的運行溫度也為排熱提供了更多的靈活性。在電效率達60％或更高水平的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中可限制廢熱排放，而在單循環(huán)下則會排放出更多的熱量。
    MCFC和SOFC是這類高溫型燃料電池的2種技術。它們使用的材料不同。MCFC是在一只陶瓷容器中放入液態(tài)的金屬碳酸鹽作為電解液，如果沒有采取防止電極老化的措施，燃料電他的使用壽命會受到影響。
    在MCFC中電化學反應是由CO₃離子引發(fā)的。MCFC采用的是頰型電池，和SOFC型的管形設計方案相比，這種頰型電他的功率密度要稍微高一些。這在成本上要比SOFC型裝置優(yōu)越。但在另一方面，由于SOFC所用的陶瓷材料非常穩(wěn)定，可以用在950-1000℃范圍內，所以SOFC裝置在抗老化性能上更具優(yōu)越性。到目前為止，所有的長期電池試驗和正在運行的試驗性機組都表明
SOFC型裝置的使用壽命可以達到70 000-80 000h，是MCFC型的2倍。
    MCFC和SOFC 2種技術在進行100-250kW功率范圍的單循環(huán)現(xiàn)場試驗中，成本都有大幅度的下降。目前在MCFC開發(fā)上占有主導地位的是美國的Fuel Cell Energy公司及其在德國的授權單
位MTU，日本的Ishikawajima-Harima重工(IHI)和三菱公司等。而Siemens Westinghouse在SOFC開發(fā)上處于領先水平。
3 中溫型燃料電池
    目前磷酸類燃料電池(PAFC)是具有最先進技術的燃料電池。80年代，IFC(國際燃料電池公司)決定對其前期商業(yè)化生產線進行投資，制造和銷售200kW的PAFC裝置，并將其投入市場。東芝公司在80年代末就已經努力使PAFC技術進入商用市場。從此，PAFC技術就一直在靜止燃料電池的市場中占據著顯赫的位置。迄今為止，全球已經安裝了150多套PAFC燃料電池裝置。
    研究表明，這種燃料電池未能實現(xiàn)市場商業(yè)化的原因大致有以下幾方面：
   (1)電效率最高為40％，超過維修期限后會降到35％甚至更低水平。通常情況下設備的使用期限不超過20 000運行h。
   (2)有些試驗性的設備(如東芝公司管理的1套11MW設備未能達到頂期的性能水平。
   (3)美國和日本政府大幅度削縮用于PAFC技術研

究和開發(fā)的投資。
   (4)從迄今積累的經驗及在改善設計參數(shù)和降低產品成本方面的潛力來看，讓PAFC技術成功
地躋身于當今的市場中的可能性是極低的。
4 SOFC在配電市場方面的潛力
    Siemens Westinghouse公司根據對市場的分析，決定采取必要的措施加快SOFC技術進入市場的步伐。預計在2003-2004年提供第l批產品，進入商業(yè)性生產前的試驗階段，裝置容量從目前的2MW擴大到15MW。
    北美和歐洲被認為是SOFC燃料電池技術最有希望的市場。Hagler Bailly公司和西門子公司對功率范圍為250 kW-l MW的市場進行了調查，結果表明到2005年SOFC燃料電池的市場容量
為每年10000MW。北美和歐洲幾乎各占50％�？紤]到北美洲用戶的結構和他們的需求，在北美洲各類小型發(fā)電機組的總容量在2010年可能達到每年約1000MW，其中600MW可能是燃料電池發(fā)電裝置。在各種類型的燃料電池中，SOFC的市場份額約占40％，到2010年在北美洲SOFC的全年銷售額將達到2.4億美元。
    在競爭日益激烈的配電市場中的另一個獲勝者是微型燃氣輪機，主要是作為備用電源或輔助電源。由于SOFC和微型燃氣輪機的特性適于不同的應用場所，SOFC效率高但投資成本也高，
而微型燃氣輪機成本低但效率也低，因而這2種技術不會產生市場上競爭。而往復式發(fā)動機會逐漸失去其在市場中的份額。
    歐洲電網要比北美洲電網強大得多，歐洲電網強化了集中的大型發(fā)電廠的作用。因此在北美洲經常出現(xiàn)的分散式電熱設備和動力裝置的供電質量和供電可靠性問題在歐洲是不突出的。但另一方面，在歐洲對能量儲存更為敏感。
    此外，一些國家政府將頒布新的規(guī)程和法律及新的能源價格，預計歐洲各國之間市場份額會有重大差異。在有些情況下這個過程會給SOFC用于配電裝置起到一定的促進作用。此外，歐洲的自由化近程落后于北美洲。因此，市場預測結果會有很大程度的不確定性。
5 SOFC技術應用的擴展
   使用天然氣作為燃料的SOFC是車載式裝置，其擴展應用可有以下幾種形式：
(1)家庭應用：新一代燃料電池將是扁平管型的，其功率密度是目前所用圓柱型燃料電池技術
的2倍，因而將制造出5kW的燃料電池裝置。這種設計方案是可行的，在配電市場中可以替代
圓柱型燃料電池。
(2)l0MW以上的系統(tǒng)裝置：很顯然，只要SOFC技術占有了功率范圍在250-10MW的市場，那么下一步最必然的是要爭取占有l(wèi)0MW以上更大規(guī)模發(fā)電設備的市場。通過把更多SOFC鏈接起來便能實現(xiàn)這個目標，也滿足了高效率低成本的要求。20MW級規(guī)模燃料電池的電效率已經接近甚至超過70％。
(3)用液態(tài)燃料運行：使用天然氣作為燃料將SOFC的應用局限在靠近天然氣供氣網的區(qū)域內，從而使這項新技術的應用受到限制。因此存在著讓SOFC使用液態(tài)燃料的迫切要求。因此，應與大型石油公司合作進行該課題的研究開發(fā)，選擇一種適宜的液體燃料并設計出最適于使用這種新燃料的SOFC發(fā)電裝置，以便為邊遠的用戶服務。 
(4)C0₂的分離：Shell公司和 Siemens Westinghouse公司正在共同研制一種能將CO₂從完全反應后的燃料中分離的SOFC設飛方案。例如，當把其裝在用于回收油的平臺上時，可以把CO₂用泵壓到地下儲層中，這不但可省去CO₂的排放稅，還可提高原油的產出量。
 (5)綜合性應用：CO₂分離裝置可能是點火的火花裝置，它使得SOFC在一種封閉且可再生的能量循環(huán)中成為關鍵性部件。經過-段時間，SOFC能產生出熱量和電力，例如用于大型暖房的設施中，SOFC裝置產生的C0₂可用來加快植物的生長。而任何一種農作物收獲后的剩余有機物都可以轉化為氣體供給SOFC作燃料。 
 

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